mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2021-1-57-62mateltech-432Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYЭффект зарядовой связи в полевом элементе Холла на основе тонкопленочного КНИ МОП транзистораCharge-coupling effect in a Hall field element based on thin-film SOI-MOS transistorhttps://orcid.org/0000-0002-3437-9501ЛеоновА. В.LeonovA. V.

ул. Академика Осипьяна, д. 6, Черноголовка, Московская область, 142432

Леонов Алексей Владимирович — канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник

6 Academician Ossipyan Str., Chernogolovka, Moscow Region, 142432

Aleksey V. Leonov: Cand. Sci. (Phys.-Math.), Researcher 

alex25.08@mail.ruМурашевВ. Н.MurashevV. N.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Мурашев Виктор Николаевич — доктор техн. наук, профессор

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

 Victor N. Murashev: Dr. Sci. (Eng.), Professor 

vnmurashev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5218-1654ИвановД. Н.IvanovD. N.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Иванов Дмитрий Николаевич — аспирант

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

Dmitry N. Ivanov: Postgraduate Student

ivanovdmitry@rocketmail.comКириловВ. Д.KirilovV. D.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Кирилов В. Д.

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

V. D. Kirilov

kirilov@falsh.ruИнститут проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАНРоссияInstitute of Microelectronics Technology and High Purity Materials, Russian Academy of SciencesRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology MISiSRussian Federation2021210420212415762Copyright © Леонов А.В., Мурашев В.Н., Иванов Д.Н., Кирилов В.Д., 20212021Леонов А.В., Мурашев В.Н., Иванов Д.Н., Кирилов В.Д.Leonov A.V., Murashev V.N., Ivanov D.N., Kirilov V.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/432

Работа посвящена изучению влияния эффекта зарядовой связи на характеристики полевого элемента Холла, изготовленного на основе тонкопленочного МОП транзистора. Анализ развития современной микроэлектроники показал необходимость развития элементной базы датчиков внешних воздействий на основе кремниевой технологии с повышенной функциональностью. Одним из способов значительного улучшения характеристик чувствительных элементов различных воздействий, в том числе и магнитного поля, является создание тонкопленочных транзисторов на основе структуры «кремний на изоляторе» (КНИ). Показано, что полевой датчик Холла (ПДХ) может стать основой высокочувствительных датчиков магнитного поля, использующих эффект зарядовой связи, возникающей в двухзатворной вертикальной топологии такого элемента. Проведены электрофизические исследования ПДХ при различных режимах включения затворов и питания. Полученные результаты показывают, что эффект зарядовой связи между затворами наблюдается в ПДХ при толщине рабочего слоя между ними равным 200 нм. Этот эффект приводит к росту эффективной подвижности носителей, и следовательно к росту магнитной чувствительности. Таким образом, полевые элементы Холла на основе тонкопленочных транзисторов, изготовленных по кремниевой технологии, позволяют значительно повысить магнитную чувствительность и использовать их в датчиках магнитного поля повышенной надежности. 

The influence of the coupling effect on the parameters of field Hall elements based on thin-film MOS transistors has been studied. Analysis of the development of today’s microelectronics shows the necessity of developing the element base for high performance sensors based on silicon technologies. One way to significantly improve the performance of sensing elements including magnetic field sensors is the use of thin-film transistors on the basis of silicon on insulator (SOI) structures. It has been shown that field Hall sensors (FHS) may become the basis of high-performance magnetic field sensors employing the coupling effect occurring in the double gate vertical topology of these sensing elements. Electrophysical studies of FHS have been conducted for different gate bias and power supply modes. The results show that the coupling effect between the gates occurs in FHS if the thickness of the working layer between the gates is 200 nm. This effect leads to an increase in the effective carrier mobility and hence an increase in the magnetic sensitivity of the material. Thus field Hall elements based on thin-film transistors fabricated using silicon technologies provide for a substantial increase in the magnetic sensitivity of the elements and allow their application in highly reliable magnetic field sensors.

транзисторкремний на изолятореполевой датчик Холлазарядовая связьмагнитное полеcharge couplingtransistorHall field sensormagnetic field sensorReferencesHuijsing J. H. Smart Sensor System: Why? Where? Now? // In: Smart Sensor System. Ed by G. C. M. Meijer. John Wiley & Sons, Ltd, 2008. P. 1—21. DOI: 10.1002/9780470866931.ch1Huijsing J. H. Smart Sensor System: Why? Where? Now? In: Smart Sensor System. Ed by G. C. M. Meijer. John Wiley & Sons, Ltd, 2008, pp. 1—21. DOI: 10.1002/9780470866931.ch1Magnetic field sensor market will be worth $2.9 billion by 2020. URL: https://intelligencecommunitynews.com/magnetic-field-sensor-market-will-be-worth-2-9-billion-by-2020-says-report/Magnetic field sensor market will be worth $2.9 billion by 2020. URL: https://intelligencecommunitynews.com/magnetic-field-sensor-market-will-be-worth-2-9-billion-by-2020-says-report/Magnetic Sensors Market Analysis By Technology. 2016. URL: http://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/magnetic-sensors-marketMagnetic Sensors Market Analysis By Technology. 2016. URL: http://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/magnetic-sensors- marketБараночников М. Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. М.: ДМК Пресс, 2016. 544 с.Baranochnikov M. L. Mikromagnitoelektronika [Micromagnetoelectronics]. Vol. 1. Moscow: DMK Press, 2016, 544 p. (In Russ.)Войтович И. Д., Корсунский В. М. Интеллектуальные сенсоры. М.: Изд-во Интуит, Бином. Лаборатория знаний, 2009. 626 с.Voitovich I. D., Korsunskii V. M. Intellektual’nye sensory [Intellectual sensors]. M.: Izd-vo Intuit, Binom. Laboratoriya znanii, 2009. 626 p. (In Russ.)Мордкович В. Н. Структуры «кремний на изоляторе» перспективный материал микроэлектроники // Материалы электронной техники. 1998. № 2. С. 4—7.Mordkovich V. N. Structures “silicon-on-insulator” a promising material for microelectronics. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering, 1998, no. 2, pp. 4—7. (In Russ.)Colinge J.-P. Silicon-on-Insulator Technology: Materials to VLSI. Boston: Springer, 2004, 366 p. (pp. 157—159). DOI: 10.1007/978-1-4419-9106-5Colinge J.-P. Silicon-on-Insulator Technology: Materials to VLSI. Boston: Springer, 2004, 366 p. (pp. 157—159). DOI: 10.1007/978-1-4419-9106-5Naumova O. V., Fomin B. I., Safronov L. N., Nasimov D. A., Ilnitskii M. A., Dudchenko N. V., Devyatova S. F., Zhanaev E. D., Popov V. P., Latyshev A. V., Aseev A. L. Silicon nanowire transistors for electron biosensors // Optoelectron. Instrument. Proc. 2009. V. 54, N 4. P. 287—291. DOI: 10.3103/S8756699009040013Naumova O. V., Fomin B. I., Safronov L. N., Nasimov D. A., Ilnitskii M. A., Dudchenko N. V., Devyatova S. F., Zhanaev E. D., Popov V. P., Latyshev A. V., Aseev A. L. Silicon nanowire transistors for electron biosensors. Optoelectron. Instrument. Proc., 2009, vol. 54, no. 4, pp. 287—291. DOI: 10.3103/S8756699009040013Naumova O. V., Fomin B. I., Nasimov D. A., Dudchenko N. V., Devyatova S. F., Zhanaev E. D., Popov V. P., Latyshev A. V., Aseev A. L., Ivanov Yu. D., Archakov A. I. SOI nanowires as sensors for charge detection // Semocond. Sci. Technol. 2010. V. 25, N 5. P. 055004. DOI: 10.1088/0268-1242/25/5/055004Naumova O. V., Fomin B. I., Nasimov D. A., Dudchenko N. V., Devyatova S. F., Zhanaev E. D., Popov V. P., Latyshev A. V., Aseev A. L., Ivanov Yu. D., Archakov A. I. SOI nanowires as sensors for charge detection. Semocond. Sci. Technol., 2010, vol. 25, no. 5, p. 055004. DOI: 10.1088/0268-1242/25/5/055004Elfström N., Juhasz R., Sychugov I., Engfeldt T., Karlström A. E., Linnros J. Surface charge sensitivity of silicon nanowires: size dependence // Nano Lett. 2007. V. 7. N 9. P. 2608—2612. DOI: 10.1021/nl0709017Elfström N., Juhasz R., Sychugov I., Engfeldt T., Karlström A. E., Linnros J. Surface charge sensitivity of silicon nanowires: size dependence. Nano Lett., 2007, vol. 7, no. 9, pp. 2608—2612. DOI: 10.1021/nl0709017Lim H. K., Fossum J. G. Threshold voltage of thin-film Silicon-on-insulator (SOI) MOSFET’s // IEEE Transactions on Electron Devices. 1983. V. 30, Iss. 10. P. 1244—1251. DOI: 10.1109/T-ED.1983.21282Lim H. K., Fossum J. G. Threshold voltage of thin-film Silicon-on-insulator (SOI) MOSFET’s. IEEE Transactions on Electron Devices, 1983, vol. 30, no. 10, pp. 1244—1251. DOI: 10.1109/T-ED.1983.21282Celler G. K. Frontiers of silicon-on-insulator // J. Appl. Phys. 2003. V. 93, Iss. 9. P. 4955. DOI: 10.1063/1.1558223Celler G. K. Frontiers of silicon-on-insulator. J. Appl. Phys., 2003, vol. 93, no. 9, p. 4955. DOI: 10.1063/1.1558223Rudenko T., Nazarov A., Kilchytska V., Flandre D., Popov V., Ilnitsky M., Lysenko V. Revision of interface coupling in ultra-thin body silicon-on-insulator MOSFETs // Semicond. Physics, Quant. Electron & Optoelectron. 2013. V. 16, N 3. P. 300—309. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/MSMW_2013_16_3_15Rudenko T., Nazarov A., Kilchytska V., Flandre D., Popov V., Ilnitsky M., Lysenko V. Revision of interface coupling in ultra-thin body silicon-on-insulator MOSFETs. Semicond. Physics, Quant. Electron & Optoelectron., 2013, vol. 16, no. 3, pp. 300—309. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/MSMW_2013_16_3_15Попов В. П., Ильницкий М. А., Наумова О. В., Назаров А. Н. Квантовые поправки для пороговых напряжений полностью обедняемых КНИ-транзисторов с двумя независимыми затворами // Физика и техника полупроводников. 2014. Т. 48, № 10. С. 1348—1353.Popov V. P., Ilnitsky M. A., Naumova O. V., Nazarov A. N. Quantum corrections to threshold voltages for fully depleted SOI transistors with two independent gates. Semiconductors, 2014, vol. 48, no. 10, pp. 1312—1317. DOI: 10.1134/S1063782614100248Мордкович В. Н., Бараночников М. Л., Леонов А. В., Мокрушин А. Д., Омельяновская Н. М., Пажин Д. М. Полевой датчик холла — новый тип преобразователя магнитного поля // Датчики и системы. 2003. Вып. 7. С. 33—38.Mordkovich V. N., Baranochnikov M. L., Leonov A. V., Mokrushin A. D., Omelianovskaya N. M., Pazhin D. M. Field Hall device — a new type of magnetic field transducer. Datchiki i sistemy = Sensors and Systems, 2003, no. 7, pp. 33—38. (In Russ.)Мокрушин А. Д., Омельяновская Н. М., Леонов А. В., Мордкович В. Н., Пажин Д. М. Радиационные эффекты в КНИ магниточувствительных элементах при различных условиях облучения // В сб.: «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2000». М.: СПЭЛС, 2000. Т. 3. С. 38—42.Mokrushin A. D., Omelyanovskaya N. M., Leonov A. V., Mordkovich V. N., Pazhin D. M. Radiation effects in SOI magnetosensitive elements under different irradiation conditions. In: Scientific and technical collection. Radiation resistance of electronic systems “Resistance-2000”. Moscow: SPELS, 2000, vol. 3, pp. 38—42. (In Russ.)Леонов А. В., Малых А. А., Мордкович В. Н., Павлюк М. И. Многоканальные и многофукциональные датчики физических воздействий с частотным выходом на основе универсального полевого транзисторного чувствительного элемента со структурой «кремний на изоляторе» // Приборы и техника эксперимента. 2018. № 2. С 132—138. DOI: 10.7868/S0032816218010329Leonov A. V., Malykh A. A., Mordkovich V. N., Pavlyuk M. I. Multichannel and multifunctional frequency-output sensors of physical effects based on a universal field transistor-type sensing element with a silicon-on-insulator structure. Instrum. Exp. Tech., 2018, vol. 61, no. 2, pp. 299—305. DOI: 10.1134/S002044121801027XНаумова О. В., Зайцева Э. Г., Фомин Б. И., Ильницкий М. А., Попов В. П. Зависимость подвижности электронов в режиме обогащения от их плотности в полностью обедняемых пленках кремний-на-изоляторе // Физика и техника полупроводников. 2015. Т. 49, № 10. C 1360—1365. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/42306Naumova O. V., Zaitseva E. G., Fomin B. I., Ilnitsky M. A., Popov V. P. Density dependence of electron mobility in the accumulation mode for fully depleted SOI films. Semiconductors, 2015, vol. 49, no. 10, pp. 1316—1322. DOI: 10.1134/S106378261510017Popovich R. S. Hall Effect Devices. Bristol (Philadelphia): IOP Publishing Ltd, 2004. 419 p.Popovich R. S. Hall Effect Devices. Bristol (Philadelphia): IOP Publishing Ltd, 2004. 419 p.Зи С. Физика полупроводниковых приборов. M.: Мир, 1984. Т. 2. 453 с.Sze S. M. Physics of Semiconductor Devices. Wiley-Interscience, 1981, 880 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.